эффект, расщепление спектральных линий под действием магнитного поля. Открыто в 1896 П. Зееманом при исследовании свечения паров натрия в магнитном поле. Для наблюдения З. э. источник света, испускающий линейчатый спектр, располагается между полюсами мощного электромагнита ( рис. 1 ). При этом каждая спектральная линия расщепляется на несколько составляющих. Расщепление весьма незначительно (для магнитных полей ~ 20 кэ составляет несколько десятых ), поэтому для наблюдения З. э. применяют спектральные приборы с высокой разрешающей способностью.
Все компоненты зеемановского расщепления поляризованы (см. Поляризация света ). Картина расщепления и поляризация компонент зависят от направления наблюдения. В простейшем случае в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля (поперечный З. э.), обнаруживаются ( рис. 2 ) 3 линии: несмещенная p-компонента, поляризованная по направлению поля, и 2 симметрично по отношению к ней расположенные s-компоненты, поляризованные перпендикулярно полю. При наблюдении в направлении поля (продольный З. э.) остаются только s-компоненты, поляризованные в этом случае по кругу.
Первое объяснение З. э. дал Г. Лоренц в 1897. Он рассматривал электрон в атоме как гармонический осциллятор частоты излучающий в отсутствие внешнего поля спектральную линию этой частоты. В однородном внешнем магнитном поле Н движение линейно колеблющегося электрона можно разложить на линейное колебание вдоль направления поля и два круговых колебания (с противоположными направлениями вращения) в плоскости, перпендикулярной Н ( рис. 3 ). На линейное колебание поле Н не действует, и его частота остаётся равной v0 ; частоты круговых составляющих изменяются, т.к. электрон в магнитном поле получает дополнит. вращение вокруг направления магнитного поля с частотой D v 1/4p( e/me ) Н, где е/ме - отношение заряда электрона к его массе (см. Лармора прецессия ). Частоты этих колебаний становятся равными v 1 v0 + D v и v2 vo - D v . Т. о., атом в магнитном поле испускает 3 линии с частотами v0 , v1 и v2 (зеемановский триплет). Такая картина расщепления - простой (или нормальный) З. э. - получается только для одиночных спектральных линий (см. Атомные спектры ), а также в предельном случае очень сильных магнитных полей (эффект Пашена - Бака). Как правило, наблюдается более сложная картина: спектральная линия расщепляется на большее число компонент с различными значениями D v - сложный (или аномальный) З. э.; получается спектральная группа равноотстоящих p-компонент и две симметрично от неё расположенные группы равноотстоящих s-компонент.
Полное объяснение З. э. даёт квантовая теория. Квантовая система, например атом, обладает магнитным моментом m, который связан с механическим моментом количества движения М и может ориентироваться в магнитном поле только определённым образом. Число возможных ориентаций m равно степени вырождения уровня энергии (см. Вырождение ) , т. е. числу возможных состояний атома с данной энергией Е. В магнитном поле каждой ориентации m соответствует своя дополнительная энергия D Е. Это приводит к снятию вырождения - уровень расщепляется.
Дополнительная энергия D E пропорциональна величине напряжённости поля Н:
E -m HH ,
где m H - проекция m на направление поля Н . В магнитном поле m H принимает дискретные значения, равные - g mБ m, где g - Ланде множитель , mБ - магнетон Бора, m - магнитное квантовое число ( m J; J- 1,... -J, где J - квантовое число, определяющее возможные значения М ; см. Квантовые числа ) . В результате дополнительная энергия
D Em -m HH g mБ НTm
различна для различных магнитных квантовых чисел и уровень энергии Е расщепляется на 2 J + 1 равноотстоящих зеемановских подуровней. Расстояние между соседними подуровнями Em иЕm+1 равно:
d D Em+1 -D Em g mБ Н g D E 0
где D Е 0 mБ Н - величина т. н. нормального расщепления.
Если для уровней E 1 и E 2 , между которыми происходит квантовый переход, g 1 g 2 , то расщепление спектральной линии в магнитном поле представляет собой зеемановский триплет. Если g 1 ¹ g 2 , получается сложный З. э.
Исследование картины З. э. Позволяет определять характеристики уровней энергии различных атомов. Наряду с квантовыми переходами между зеемановскими подуровнями различных уровней энергии (З. э. на спектральных линиях) можно наблюдать магнитные квантовые переходы между зеемановскими подуровнями одного и того же уровня. Такие переходы происходят под действием излучения частоты
( h - Планка постоянная ) . В обычных магнитных полях частоты таких переходов соответствуют СВЧ-диапазону. Это приводит к избирательному поглощению радиоволн, которое можно наблюдать в парамагнитных веществах, помещенных в постоянное магнитное поле (см. Магнитный резонанс , Квантовый усилитель , Электронный парамагнитный резонанс ) .
З. э. наблюдается и в молекулярных спектрах, однако расшифровать такие спектры значительно труднее, чем атомные. Кроме того, наблюдение З. э. в молекулярных спектрах представляет большие экспериментальные трудности из-за сложности картины расщепления и перекрытия молекулярных спектральных полос. З. э. можно наблюдать также и в спектрах кристаллов (обычно в спектрах поглощения).
З. э. применяется не только в спектроскопии для исследования тонкой структуры вещества, но и в устройствах квантовой электроники и для измерения магнитных полей в лабораторных условиях и магнитных полей космических объектов.
Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Герцберг Г., Спектры и строение двухатомных молекул, пер. с англ., М., 1949.
М. А. Ельяшевич.